Кольца Лизеганга

Кольца Лизеганга (также слои Лизеганга, общее название структуры Лизеганга) — концентрические кольца или ритмически перемежающиеся полосы, возникающие в результате периодического осаждения каких-либо соединений при диффузии в гелевых средах. Названы в честь первооткрывателя явления — немецкого химика и предпринимателя Р. Лизеганга.

История

Концентрические структуры впервые были получены в 1896 году немецким химиком Р. Лизегангом. Работая в химической лаборатории фотофабрики, принадлежавшей отцу, он обнаружил, что капля раствора нитрата серебра AgNO₃ на фотопластинке, покрытой слоем желатины, который содержит хромпик К₂Сr₂О₇, образуются агрегаты мелких кристаллов Ag₂Cr₂O₇ в виде концентрических колец, напоминающих годичные кольца на спиле дерева. Лизеганг увлекся этим явлением и почти полвека занимался его исследованием.

Сам Р. Лизеганг, знакомый с первыми работами по изучению колебательных реакций Ф. Рунге, первоначально склонялся к натурфилософскому объяснению полученного им периодического процесса.

Возможный физический механизм, объясняющий образование структур Лизеганга, был впервые предложен одним из основателей физической химии В. Оствальдом в 1897 году. Объяснение, данное Оствальдом, базировалось на понятии о метастабильном состоянии и явлении оствальдовского созревания, открытом им годом ранее. Оствальд предположил, что у Лизеганга образовывался пересыщенный раствор бихромата серебра, находящийся в метастабильном состоянии. Дальнейшая диффузия реагентов вызывала образование осадка и перевод системы в лабильное состояние. Дальнейшее взаимодействие бихромата калия и нитрата серебра переводила её снова в метастабильное состояние и т. д.

В 1905 году Лизеганг отверг модель Оствальда, получив новые эмпирические факты. Однако впоследствии, проведя новые эксперименты, он стал её ревностным сторонником.

Получение

Структуры Лизеганга обычно получают при диффузии одного из исходных веществ через гель, содержащий другое вещество, способное с первым образовывать нерастворимый осадок.

На протяжении десятилетий огромное количество реакций осаждения было использовано для изучения явления, показав его общий характер. Структуры Лизеганга получены для хроматов, галогенидов, гидроксидов металлов, карбонатов и сульфидов свинца, меди, серебра, ртути и др.

Примеры используемых для этого химических реакций:

• HCl + AgNO₃ → AgCl↓ + HNO₃;
• 2KI + Pb(NO₃)₂ → PbI₂↓ + KNO₃;
• MgSO₄ + 2NH₃ + 2H₂O → Mg(OH)₂↓ + (NH₄)₂SO₄.

Для получения среды используются, как правило, желатин, агар-агар или силикагель. Структуры Лизеганга могут быть получены и без желирующего вещества, если эксперимент проводится в капилляре, где конвекция среды не мешает их формированию. Аналогичное явление происходит не только в гелях, но и в уплотнённых инертных порошках (кварца, кизельгура и т. п.), пропитанных раствором соответствующего реагента.

Их получение возможно и в отсутствии жидкой среды. Например, слоистые структуры образуются при определенных условиях в газовой среде при взаимодействии аммиака и хлороводорода. Образование колец возможно и в твердых телах: так, полосы из серебра были получены путём погружения силикатного стекла в расплавленный AgNO₃ в течение длительного периода времени.

Эксперименты обычно проводятся либо в пробирке, либо в чашке Петри. В первом случае один из реагентов первоначально растворяют в геле и помещают в пробирку. Затем поверх наливается раствор другого реагента большей концентрации. В результате в области разделения фаз начинается образование осадка в форме полос, параллельных диффузионному фронту, разделенных свободными от осадка промежутками (см. илл.).

В чашке Петри, как правило, образуются концентрические кольца осадка, если концентрированный раствор одного их исходных веществ вносится в центр чашки, уже содержащей гель другого вещества. В этих условиях волна химической реакции движется от центра к периферии чашки в результате диффузии внесенного вещества, оставляя позади себя четко разделенные кольца осадка. Также возможно образование более сложных структур: таких, как спиральные структуры и «кольца Сатурна» (в пробирке) и дислокации колец (в чашке Петри).

Природа явления

Слои и кольца Лизеганга относятся к периодическим коллоидным структурам, которые, по-видимому, были первым примером изученных самоорганизованных структур. По важнейшим признакам кольца Лизеганга имеют значительное сходство с кольцевыми структурами, возникающими вследствие автоволновых процессов, приводящими к возникновению самоорганизованных структур с различным масштабом упорядочения (нано-, мезо-, микро- и макроуровень).

Природные объекты

С образованием слоев Лизеганга связывают послойную окраску минералов (агата, яшмы). Лизеганг сделал немало важных наблюдений над агатами, опубликовал книгу о них и большую серию статей и разработал собственную теорию (1915). По его мнению, агаты образовались не из растворов, а из гелей кремнезема, которые заполнили агатовые камеры и затем «созрева­ли» в них — разделялись на концентрические слои и кристаллизовались, превращаясь в халцедон.

Очень похожие образования возникают в слоистой структуре тонкопористых пород при процессах выветривания. Таковы, например, ритмические кольца, полосы, гиперболы, окрашенные бурыми гидроксидами железа, в известняках, мелкозернистых песчаниках и других породах.

Полосато-слоистую структуру имеют конкременты в органах животных и человека, некоторые биологические ткани, например поперечнополосатые мышцы.

• Agate.JPG

  Голубой агат

• 26penestin anneaux de liesegang.jpg

  Кольца Лизеганга на скалах Бретани

• Liesegang Sandstein ReiKi.jpg

  Кольца Лизеганга в песчанике

• Picture Sandstone from Utah.jpg

  Песчаники в штате Юта (США)

Применение

Открытое Лизегангом явление нашло практическое применение при изучении различных процессов в физике и химии, в прикладном искусстве, для украшения различных изделий с имитацией яшмы, малахита, агата и др. Лизеганг также предложил технологию изготовления искусственного жемчуга.

Литература

• Зимон А. Д., Лещенко Н. Ф. Коллоидная химия. Изд 3-е. — М.: Изд-во «Агар», 2001.
• Лурье А. А. К теории колец Лизеганга // Коллоид, ж., 1966. Т.28. — №.4.1. C,534-537.

Ссылки

• Сумм Б. Д., Иванова Н. И. [www.uspkhim.ru/php/getFT.phtml?jrnid=rc&paperid=616&year_id=2000 Объекты и методы коллоидной химии в нанохимии] // Успехи химии, 69, 995 (2000).
• Полежаев А. А. [www.mce.su/archive/doc15791/doc.pdf Теория структур Лизеганга] // «Математика. Компьютер. Образование». Сб. трудов X международной конференции. Под общей редакцией Г. Ю. Ризниченко Ижевск: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2003. Том 2. Стр. 307—319.
• [www.nanometer.ru/2010/08/19/12822226202694_216697.html Самоорганизация в природе] (фото)

Отрывок, характеризующий Кольца Лизеганга

– Ничего, ничего. – Она улыбнулась сквозь слезы Пьеру. – Прощайте, пора спать.
Пьер встал и простился.

Княжна Марья и Наташа, как и всегда, сошлись в спальне. Они поговорили о том, что рассказывал Пьер. Княжна Марья не говорила своего мнения о Пьере. Наташа тоже не говорила о нем.
– Ну, прощай, Мари, – сказала Наташа. – Знаешь, я часто боюсь, что мы не говорим о нем (князе Андрее), как будто мы боимся унизить наше чувство, и забываем.
Княжна Марья тяжело вздохнула и этим вздохом признала справедливость слов Наташи; но словами она не согласилась с ней.
– Разве можно забыть? – сказала она.
– Мне так хорошо было нынче рассказать все; и тяжело, и больно, и хорошо. Очень хорошо, – сказала Наташа, – я уверена, что он точно любил его. От этого я рассказала ему… ничего, что я рассказала ему? – вдруг покраснев, спросила она.
– Пьеру? О нет! Какой он прекрасный, – сказала княжна Марья.
– Знаешь, Мари, – вдруг сказала Наташа с шаловливой улыбкой, которой давно не видала княжна Марья на ее лице. – Он сделался какой то чистый, гладкий, свежий; точно из бани, ты понимаешь? – морально из бани. Правда?
– Да, – сказала княжна Марья, – он много выиграл.
– И сюртучок коротенький, и стриженые волосы; точно, ну точно из бани… папа, бывало…
– Я понимаю, что он (князь Андрей) никого так не любил, как его, – сказала княжна Марья.
– Да, и он особенный от него. Говорят, что дружны мужчины, когда совсем особенные. Должно быть, это правда. Правда, он совсем на него не похож ничем?
– Да, и чудесный.
– Ну, прощай, – отвечала Наташа. И та же шаловливая улыбка, как бы забывшись, долго оставалась на ее лице.


Пьер долго не мог заснуть в этот день; он взад и вперед ходил по комнате, то нахмурившись, вдумываясь во что то трудное, вдруг пожимая плечами и вздрагивая, то счастливо улыбаясь.
Он думал о князе Андрее, о Наташе, об их любви, и то ревновал ее к прошедшему, то упрекал, то прощал себя за это. Было уже шесть часов утра, а он все ходил по комнате.
«Ну что ж делать. Уж если нельзя без этого! Что ж делать! Значит, так надо», – сказал он себе и, поспешно раздевшись, лег в постель, счастливый и взволнованный, но без сомнений и нерешительностей.
«Надо, как ни странно, как ни невозможно это счастье, – надо сделать все для того, чтобы быть с ней мужем и женой», – сказал он себе.
Пьер еще за несколько дней перед этим назначил в пятницу день своего отъезда в Петербург. Когда он проснулся, в четверг, Савельич пришел к нему за приказаниями об укладке вещей в дорогу.
«Как в Петербург? Что такое Петербург? Кто в Петербурге? – невольно, хотя и про себя, спросил он. – Да, что то такое давно, давно, еще прежде, чем это случилось, я зачем то собирался ехать в Петербург, – вспомнил он. – Отчего же? я и поеду, может быть. Какой он добрый, внимательный, как все помнит! – подумал он, глядя на старое лицо Савельича. – И какая улыбка приятная!» – подумал он.
– Что ж, все не хочешь на волю, Савельич? – спросил Пьер.
– Зачем мне, ваше сиятельство, воля? При покойном графе, царство небесное, жили и при вас обиды не видим.
– Ну, а дети?
– И дети проживут, ваше сиятельство: за такими господами жить можно.
– Ну, а наследники мои? – сказал Пьер. – Вдруг я женюсь… Ведь может случиться, – прибавил он с невольной улыбкой.
– И осмеливаюсь доложить: хорошее дело, ваше сиятельство.
«Как он думает это легко, – подумал Пьер. – Он не знает, как это страшно, как опасно. Слишком рано или слишком поздно… Страшно!»
– Как же изволите приказать? Завтра изволите ехать? – спросил Савельич.
– Нет; я немножко отложу. Я тогда скажу. Ты меня извини за хлопоты, – сказал Пьер и, глядя на улыбку Савельича, подумал: «Как странно, однако, что он не знает, что теперь нет никакого Петербурга и что прежде всего надо, чтоб решилось то. Впрочем, он, верно, знает, но только притворяется. Поговорить с ним? Как он думает? – подумал Пьер. – Нет, после когда нибудь».
За завтраком Пьер сообщил княжне, что он был вчера у княжны Марьи и застал там, – можете себе представить кого? – Натали Ростову.
Княжна сделала вид, что она в этом известии не видит ничего более необыкновенного, как в том, что Пьер видел Анну Семеновну.
– Вы ее знаете? – спросил Пьер.
– Я видела княжну, – отвечала она. – Я слышала, что ее сватали за молодого Ростова. Это было бы очень хорошо для Ростовых; говорят, они совсем разорились.
– Нет, Ростову вы знаете?
– Слышала тогда только про эту историю. Очень жалко.
«Нет, она не понимает или притворяется, – подумал Пьер. – Лучше тоже не говорить ей».
Княжна также приготавливала провизию на дорогу Пьеру.
«Как они добры все, – думал Пьер, – что они теперь, когда уж наверное им это не может быть более интересно, занимаются всем этим. И все для меня; вот что удивительно».
В этот же день к Пьеру приехал полицеймейстер с предложением прислать доверенного в Грановитую палату для приема вещей, раздаваемых нынче владельцам.
«Вот и этот тоже, – думал Пьер, глядя в лицо полицеймейстера, – какой славный, красивый офицер и как добр! Теперь занимается такими пустяками. А еще говорят, что он не честен и пользуется. Какой вздор! А впрочем, отчего же ему и не пользоваться? Он так и воспитан. И все так делают. А такое приятное, доброе лицо, и улыбается, глядя на меня».
Пьер поехал обедать к княжне Марье.
Проезжая по улицам между пожарищами домов, он удивлялся красоте этих развалин. Печные трубы домов, отвалившиеся стены, живописно напоминая Рейн и Колизей, тянулись, скрывая друг друга, по обгорелым кварталам. Встречавшиеся извозчики и ездоки, плотники, рубившие срубы, торговки и лавочники, все с веселыми, сияющими лицами, взглядывали на Пьера и говорили как будто: «А, вот он! Посмотрим, что выйдет из этого».
При входе в дом княжны Марьи на Пьера нашло сомнение в справедливости того, что он был здесь вчера, виделся с Наташей и говорил с ней. «Может быть, это я выдумал. Может быть, я войду и никого не увижу». Но не успел он вступить в комнату, как уже во всем существе своем, по мгновенному лишению своей свободы, он почувствовал ее присутствие. Она была в том же черном платье с мягкими складками и так же причесана, как и вчера, но она была совсем другая. Если б она была такою вчера, когда он вошел в комнату, он бы не мог ни на мгновение не узнать ее.
Она была такою же, какою он знал ее почти ребенком и потом невестой князя Андрея. Веселый вопросительный блеск светился в ее глазах; на лице было ласковое и странно шаловливое выражение.
Пьер обедал и просидел бы весь вечер; но княжна Марья ехала ко всенощной, и Пьер уехал с ними вместе.
На другой день Пьер приехал рано, обедал и просидел весь вечер. Несмотря на то, что княжна Марья и Наташа были очевидно рады гостю; несмотря на то, что весь интерес жизни Пьера сосредоточивался теперь в этом доме, к вечеру они всё переговорили, и разговор переходил беспрестанно с одного ничтожного предмета на другой и часто прерывался. Пьер засиделся в этот вечер так поздно, что княжна Марья и Наташа переглядывались между собою, очевидно ожидая, скоро ли он уйдет. Пьер видел это и не мог уйти. Ему становилось тяжело, неловко, но он все сидел, потому что не мог подняться и уйти.
Княжна Марья, не предвидя этому конца, первая встала и, жалуясь на мигрень, стала прощаться.
– Так вы завтра едете в Петербург? – сказала ока.
– Нет, я не еду, – с удивлением и как будто обидясь, поспешно сказал Пьер. – Да нет, в Петербург? Завтра; только я не прощаюсь. Я заеду за комиссиями, – сказал он, стоя перед княжной Марьей, краснея и не уходя.
Наташа подала ему руку и вышла. Княжна Марья, напротив, вместо того чтобы уйти, опустилась в кресло и своим лучистым, глубоким взглядом строго и внимательно посмотрела на Пьера. Усталость, которую она очевидно выказывала перед этим, теперь совсем прошла. Она тяжело и продолжительно вздохнула, как будто приготавливаясь к длинному разговору.